第四章 切削力.ppt

1、切削过程中，切削层金属之所以会产生变形，主要在于刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。 切削力不仅使切削层金属产生变形、消耗了功，产生了切削热，使刀具磨损变钝，影响已加工表面质量和生产效率。同时，切削力也是机床电动机功率选择、机床主运动和进给运动机构设计的主要依据。切削力的大小，可以作为衡量工件和刀具材料的切削加工性指标之一，也可以作为切削加工过程适应控制的可控因素。,第四章 切削力,一. 切削力的来源,（1）克服被加工材料弹性变形的抗力； （2）克服被加工材料塑性变形的抗力； （3）克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。它们

2、分别用Ff和Ff表示。,弹性变形抗力和塑性变形抗力，在切削中的三个变形区中均存在，但以第一变形区中的抗力最大。,通常将合力Fr分解为相互垂直的三个分力：切削力Fc(FZ)、进给力 Ff (FX)、背向力 Fp (Fy),（旧称主切削力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力。它切于过渡表面，并垂直于基面Pr，与切削速度vc方向一致，它消耗机床的主要功率，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主传动机构、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的依据。,旧称轴向力或走刀力，用Fx表示总切削力在进给方向的分力，它作用于基面Pr内，与进给方向平行，与走刀方向相反。是设计、校核机床进给机构，计算刀具、

3、机床进给功率不可缺少的依据。,旧称径向力、切深抗力、吃刀力等，用Fy表示 它作用于基面Pr内，与进给方向垂直。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的依据。 它能使工件产生变形或振动，是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件强度的依据；,根据实验，当r=45，s=0，o15时， Fc、Ff和Fp之间有以下的近似关系： Fp=（0.40.5）Fc Ff=（0.30.4）Fc 即 代入公式3.20得 F=（1.121.18）Fc 随着车刀材料、车刀几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损情况等切削条件的不同，各分力之间的比例可以在较大范围内变化。,计算切削功率 Pm(国标

4、为Pc)是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。为Fz和Fx所消耗功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗动力。于是： 式中：nw工件转速，r/s； Fz 切削力(N)； vc切削速度，m/s；Fx 进给力(N)； f 进给量，mm/r。,由于进给运动相对于主运动消耗的功很少（小于12），可以忽略不计，于是有 按上式求得切削功率后，如要计算机床电机的功率以便选择机床电机时,还应除以机床的传动效率，即: 式中： 机床总传动效率，一般取0.750.85，新机床用大值，旧机床用小值。 切削力的大小，可采用测力仪进行测量，也可通过经验公式或理论分析公式进行计算。,

5、一、测定机床功率及计算切削力 在没有专用测力仪器的情况下，可以使用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，可按式 算出切削功率Pm，即：PmPEm 在切削速度Vc为已知的情况下，将Pm代人式 即可求出主切削力Fz。这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确，所以通常采用测力仪直接测量。,二、直接测量法 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出三个切削力的值。 为了测量数据可靠，要求测力仪具有高灵敏度、足够刚度、高自振频率、良好的动态特性，能同时测出各个分力，且其相互干扰小、响应快、结构简单、使用方便等特点。近代先进

6、测力仪常与微型计算机配套使用，直接处理数据，自动显示力值和计算切削力的经验公式。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。 按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪(电阻、电感、电容、压电或电磁式测力仪)。目前常用的是电阻式测力仪和压电测力仪。以下分别进行介绍。,1）电阻应变式测力仪 电阻应变式测力仪具有灵敏度高、线性度好、量程范围大、使用可靠、测量精度较高等优点，适用于切削力的动态、静态测量。,这种测力仪常用的电阻元件叫做电阻应变片。其特点是受到张力时，其长度增大，截面积减小，致使电阻值增大；受到压力时，其长度缩短，截面积增加，致使电阻值减小。将若干电阻应变片

7、紧贴在测力仪的弹性元件的不同受力位置，分别联成电桥。在切削力作用下，电阻应变片随着弹性元件发生变形，使应变片的电阻值改变，破坏了电桥的平衡，于是电流表中有与切削力大小相应的电流通过，经电阻应变仪放大后得电流示数。再按此电流示数从标定曲线上可以读出三向切削力之值。,2）压电式测力仪 压电式测力仪具有灵敏度高、刚度大、自振频率高、线性度和抗相互干扰性较好，无惯性、精度高的优点，适用于测量动态切削力和瞬时切削力。其缺点是易受湿度影响，连续测量稳定的或变化不大的切削力时，存在电荷泄漏，致使零点漂移，影响测量精度。 这种测力仪利用某些材料（如石英晶体或压电陶瓷）的压电效应。即当受力时其表面产生电荷，电荷

8、的多少仅与所施加的外力的大小成正比。用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数就可以测出力的大小。,图为单一压电传感器原理图。压力F通过小球1及金属薄片2传给压电晶体3。两压电晶体间有电极4，由压力产生的负电荷集中在电极4上，通过有绝缘层的导体5传出，而正电荷则通过金属片2或测力仪体接地传出。导体5输出的电荷通过电荷放大器放大后用记录仪器记录下来，在事先标定的标定曲线图上即可查出切削力的数值。在测力仪中沿Fc、Ff和Fp三个方向上都装有传感器，可以分别测出三向分力。,切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公

9、式计算，另一类是按单位切削力进行计算。 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。,一、计算切削力的指数公式,式中： 、 、 工件材料和切削条件对三个分力的影响系数； 、 、 背吃刀量ap对三个分力的影响指数； 、 、 进给量f对三个分力的影响指数； 、 、 切削速度vc对三个分力的影响指数； 、 、 各种因素对三个分力影响的修正系数的乘积，,式中的系数、指数和修正系数的数值在有关“切削原理”参考书或手册中均可查得。表4-1 为车削时的切削力及切削功率的计算公式。,1单位切削力p: 是指单位切削面积上的切削力,（N/mm2）

10、,2.单位切削功率Ps,单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率,二指数公式的建立 1图解法,2最小二乘法 由上述的作图法可知，实验测定各点不完全在一条直线上，当用直线连接时必然产生误差，而最小二乘法的指导思想是求一条直线方程：使实验所测各点到该直线的误差平方和为最小。即必须使：,式中：为误差值的平方和，满足最小的条件是：,三关于切削力的预报和估算 通过微型计算机来进行即按上述通过试验求指数公式的方法，在计算机上进行数据采集和处理，建立回归方程，来进行外推预报。对于切削力的预测，也可按金属切削分析的方法来进行，如果生产实际中，有时工程技术人员在制定加工方案时，希望事先知道切削力的大小。这时如果

11、加工对象已经明确，如已知被加工工件材料、使用的刀具及其几何形状和切削条件，就可用经验公式或单位切削力和单位切削功率的公式估算出切削力和切削功率之值。如果需要比较几种加工方案的切削力或功率消耗，则可先假定加工条件，利用上述公式及表格进行计算和比较。,1. 工件材料,凡影响切削过程变形和摩擦的因素均影响切削力，包括被加工材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、切削液和刀具磨损等方面。,材料的强度愈高，硬度愈大，切削力就愈大。但切削力的大小不单纯地受材料原始强度和硬度地影响，它还受材料的加工硬化能力大小的影响。如奥氏体不锈钢的强度、硬度都很低，但强化系数大，加工硬化能力大，较小的变形就会引起硬度大大

12、提高，使切削力增大。又如在加工镍铬铝钴基的热强钢时，虽然其强度、硬度都不那么大，但切削力却很大，单位切削力可达4GPa。,化学成分会影响材料的物理力学性能，从而影响切削力的大小，如碳钢中含碳量的多少，是否含有合金元素都会影响钢材的强度和硬度，影响切削力。此外，在正常钢中增加了含硫量或添加了铅等金属元素的易削钢，在钢中存在的这些杂质引起结构成份间的应力集中，容易形成挤裂切屑，其切削力约比正常钢减小20-30。 同一材料的热处理状态不同、金相组织不同也会影响切削力的大小。 铜、铝等金属强度低，虽塑性较大，但变形时的加工硬化小，因而切削力也较低。 加工铸铁及其它脆性材料时，切屑层的塑性变形很小，加工

13、硬化小。此外，铸铁等脆性材料切削时，形成崩碎切屑，且集中在刀尖，切屑与前刀面的接触面积小，摩擦力也小。因此，加工铸铁时的切削力比钢小。,2. 切削用量,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。,背吃刀量ap的增大，进给量f的增大都会使切削面积Ac增大，从而使变形力增大，摩擦力增大，使切削力也随之而增大。但两者对切削力的影响大小不同。 当用高速钢或硬质合金刀具加工金属时，背吃刀量ap增大一倍，切削力Fz也增大一倍( 中ap的指数为1)。,

14、进给量f的增大，切削力也相应的增大，但不如背吃刀量的影响大，因为f的增加引起切削层公称厚度hD（切削厚度c）成正比的增加，切削厚度的增加使变形系数减小，摩擦系数也降低，又会使切削力降低。,对于切断工件时，除主切削刃外，还有两条副切削刃参加工作，工作条件恶劣，所以进给量小，切屑薄，刀刃钝圆半径对切削层的应力及变形影响大，因此进给量对切削力的影响比外圆纵车、横车和镗孔时都大。,结论： 从切削刀具上的载荷和能量消耗的观点来看，用大的进给量f工作，比用大的背吃刀量ap工作更为有利。,用YTl5硬质合金车刀加工45钢时，切削速度对切削力的影响如图所示。 关系曲线有极大值和极小值。这与变形系数和摩擦系数随

15、切削速度而变化的关系曲线是一致的，而v对切削力的影响的原因，也就是由这些曲线的变化来确定的。,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2050m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； 在切削速度大于50m/min时，随着切削速度的增大，切削力减小。这是因为切削速度增高后，摩擦系数减小，剪切角增大，变形系数减小，使切削力减小。另一方面，切削速度增高，切削温度也增高，使被加工金属的强度和硬度降低，也会导致切削力的降低。 一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。,图为加工铸铁时，切削速度与切削力的关系曲线。由于加工铸铁时形成崩碎切

16、屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力小，所以切削速度对切削力的影响不大。 在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。 在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,（1）前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 在刀具的几何角度中，前角的影响最大，有研究认为：前角每变化一度，主切削力约改变1.5。 当加工钢时，切削力随前角的增大而减小(图4-11)。这是因为当前角增大时，剪切角 也随之增大，金属塑性变形减小，变形系数 减小，沿前刀面的摩擦力也减小，切削力降低。,3. 刀具几何

17、参数,前角对切削力的影响程度，随切削速度的增大而减小。当切削速度较高时，随着前角的减小，切削力虽然也要增大，但比低速时增大的程度为小。这是因为高速时的切削温度增高，使摩擦、加工硬化程度和塑性变形都减小，而切屑的塑性也由于切削温度的提高而增大等缘故。 实践证明，当加工脆性金属(如铸铁、青铜等)时，由于切屑变形和加工硬化很小，所以前角对切削力的影响不显著。,（2）负倒棱的影响：负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 在正前角相同时，对有负倒棱的车刀，由于切削时的变形比无负倒棱的大，所以切削力有所提高。无论加工钢

18、或铸铁都是这样。,负倒棱对切削力的影响,在切削过程中，切屑沿前刀面流出时与前刀面有一接触长度 (图a), 远大于进给量，当切钢时，约为(45)倍 ；切铸铁 约为(23)倍。图b中切屑由前刀面流出，起作用的仍然是正前角，只不过这时的切削力比无负倒棱的车刀大。而图c中，这时起作用的已不是前刀面上的正前角，而是负倒棱，即这时的车刀相当于负前角车刀，其切削力就相当于用负前角车刀加工时的切削力了。,（3）主偏角的影响： 主偏角对主切削力Fz的影响 当切削面积不变时，主偏角增大，切削厚度也随之增大，切屑变厚，切削层的变形将减小，因而主切削力随之增大而减小。但当主偏角增大到约600750之间时，Fz又逐渐增

19、大，如图4-14。,这是因为一般车刀都存在着一定大小的刀尖圆弧半径，随主偏角的增大，刀刃曲线部分的长度也将随之增大，刀刃的不自由切削段的长度加大如图4-15。,而刀刃曲线部分各点的切削厚度是变化的，且都比直线切削刃的切削厚度小，所以变形力也要大些。此外，主偏角增大，副刃前角则随之减小(图4-16)，因此也增大了副刃上的切削力。,主偏角对Fz的影响无论是加大或减小，一般都不超过10。 当加工脆性材料如铸铁时，由于塑性变形小，所以刀刃曲线部分长度的增加，对切削力无大影响。切削力随主偏角的增加而减小。（图4-17）,主偏角对主切削力Fx和Fy的影响 主偏角的变化对Fx和Fy有较大的影响，见图4-18

20、。Fy随主偏角的增大而减小，而Fx随主偏角的增大而增大。,（4）刀尖圆弧半径r r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff 减小。所以为了防止振动应减小刀尖圆弧半径r 。,在背吃刀量、进给量和主偏角一定的情况下刀尖圆弧半径增大，切削刃曲线部分的长度和切削宽度也随之增大(图4-19)，但切削厚度减薄(参阅图4-15)，曲线刃上各点的主偏角减小，切削变形增大，切削力增大。所以刀尖圆弧半径r增大相当于主偏角减小时对切削力的影响。,（5）刃倾角的影响： s Fy , Fx ,Fz基本不变 这是因为当刃倾角 s变化时，会改变合力 Fr的

21、方向，从而影响 Fy和 Fx的大小。随着刃倾角 s的增大，背前角增大，侧前角 f减小，而 为背向力 Fy方向上的前角， f为进给力 Fx方向上的前角，所以相应使 Fy减小， Fx增大。,图424 刃倾角对切削力的影响,车刀的其它几何参数如后角，副后角 ，副切削刃前角 ，副偏角 等，在外圆纵车时，在它们的常用值范围内，对切削力没有显著的影响。,4. 刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。在同样的切削条件下，陶瓷刀的切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具的切削力最大(图4-22)。陶瓷刀具由于导热性小，在较高的切削温度下工作时，使摩擦降低，因而切削力

22、减小。硬质合余刀具前刀面上的摩擦系数，随钴的含量的增大和碳化钛含量的减小而提高。,5. 切削液,切削过程中采用切削液可以降低切削力。切削过程中所消耗的功主要用在克服金属的变形和刀具、被加工材料、切屑间的摩擦上。切削液的正确使用，可以减小摩擦，使切削力降低。某些研究者认为当加工钢时，切屑沿前刀面流出时的摩擦约消耗35的功；而工件沿后刀面的摩擦约消耗515的功，用好的切削液充分冷却刀具时，可降低30以上(用丝锥攻螺纹时达45)的切削力。 实践证明所用切削液的润滑性能愈高，切削力的降低愈益显著。 切削液中合理地加入使表面张力降低的添加剂可以使切削液渗透入塑性变形区中的金属微裂纹内部，降低强化系数，减

23、小切削力，使切削过程变得容易。,6. 刀具磨损,车刀在前刀面上磨损而形成月牙洼时，由于增大了前角，因此减小了切削力。车刀在后刀面上磨损时，在后刀面上形成后角为零的小棱面。后刀面磨损愈大，小棱面的面积也愈大，使车刀后刀面与被加工工件的接触面积增大，因而使三个切削分力都增大。当车刀同时沿前后刀面磨损时，在切削开始，切削力减小，其后逐渐增大，而且力Fy 和 Fx 比Fz 增大得快些。由上介绍可知：刀具磨损增加时，作用在前、后刀面的切削力也增大，因此，可以利用切削力的增大、切削力比的变化或动态切削力的变化在线检测刀具磨损。,4.4 切削方程式 一、切削方程式的一般形式 在直角自由切削下，作用在切屑上的力有（如图）：刀对屑的法向力Fn和摩擦力Ff ，其合力为Fr ，又称切屑形成力。剪切面上的剪切力Fs及法向力Fns ，其合力为Fr。两合力应平衡（如图）。各力间的关系见图。其中， Fn和Fr 的夹角为摩擦角， Fr与切削运动方向之